Electrolyseurs PEM pour le stockage de l’électricité sous forme H2

Animateur d’axe : Mohamed Becherif, MCF HDR

Lorsque l’hydrogène est produit de manière décarbonée, il constitue, en combinaison avec les piles à combustible, une nouvelle solution énergétique crédible pour une très large palette d’usages (notamment le stockage énergétique à grande échelle et à grande durée), permettant des gains écologiques et énergétiques significatifs. Ainsi, l’objectif applicatif principal de cet axe de recherche sera l’alimentation en énergie électrique de sites isolés, à partir d’énergie de type renouvelable (photovoltaïque et éolien en particulier). Il s’agit d’un nouvel axe de recherche pour les équipes de la Fédération de Recherche.

Les différents sous-systèmes constitutifs de ce système applicatif sont aujourd’hui relativement bien connus unitairement et sujets à de nombreux développements scientifiques (électrolyseur, photovoltaïque, éolien, stockage d’hydrogène-énergie, …). L’optimisation énergétique et exergétique de l’ensemble de ce système électrolyseur / stockage d’hydrogène / pile à combustible l’est encore beaucoup moins.

L’objectif de notre travail est double, il consiste en premier à une écriture du modèle de l’électrolyseur sous une forme qui donne une information sur l’énergie mise en jeu et qui exhibe quelques propriétés physiques importantes. En seconde étape, on se propose d’optimiser le flux puissance entre l’électrolyseur, les sources (éolien, photovoltaïque, …) et les moyens de stockage (batterie et/ou supercondensateur ou encore le stockage d’hydrogène) et ainsi d’aller vers une gestion optimale de l’énergie.

Durant la dernière décennie, une nouvelle structure de modélisation est apparue, appelée structure Hamiltonienne Commandée par Port (PCH : Port Controlled Hamiltonian), laquelle incorpore les concepts d’énergie et de flux d’énergie et englobe un ensemble plus large de systèmes que les modèles Lagrangiens et Hamiltoniens. La structure PCH procure des renseignements énergétiques qui sont d’une importance certaine lors de l’élaboration de la commande et la gestion de l’énergie. Ces renseignements se traduisent en termes d’information sur les interconnexions entre les états du système qui donnent une indication sur l’échange d’énergie entre les variables, et en termes d’information sur l’amortissement du système qui est associé à la dissipation.

Des formalismes, dans le même esprit que la PCH, permettent l’obtention de représentations qui facilitent la compréhension du système et une prise en main rapide de celui-ci (notamment pour des simulations), l’interaction avec les praticiens de la commande et la gestion de l’énergie. Parmi ces formalismes on trouve la Représentation Energétique Macroscopique (REM) ou encore les Bond Graphs. Ainsi, une modélisation REM multiphysique de l’électrolyseur (Figures 1 et 2) a été développée par les chercheurs du FCLab. Les paramètres de ce modèle ont été identifiés expérimentalement permettant ainsi une validation du modèle théorique sur un banc réel.

Figure 1 : modèle de représentation énergétique macroscopique (REM) de l’électrolyseur, développé par les chercheurs de FCLAB

 

 Figure 2 : Interactions multi-physiques au sein de l’électrolyseur

La gestion de l’énergie au sein d’un système muni d’un électrolyseur se traduira par la commande de convertisseurs statiques ou tournants. Les approches de la commande se feront par les méthodes de commande basées sur la passivité ou par les méthodologies associées à l’approche de modélisation par représentation énergétique macroscopique. La dénomination « commande basée sur la passivité »  (PBC, Passivity-Based Control) a été introduite pour définir une méthodologie de conception de commandes qui assurent la stabilité des systèmes en les rendant passif. La PBC amène généralement à des lois de commande simples et robustes vis-à-vis des paramètres incertains, non modélisés et ou variables dans le temps. A l’heure actuelle, la production d’hydrogène par électrolyse est caractérisée par ces paramètres mal connus, ce qui justifie pleinement l’application de la commande basée sur la passivité. Nous identifions une classe de modèles PCH pour laquelle la PBC assure la préservation de la structure hamiltonienne, avec pour fonction de stockage le bilan énergétique. Un dernier avantage de cette méthode est le fait qu’elle est systématique et que le contrôleur peut être facilement synthétisé en utilisant le calcul symbolique. Plusieurs applications de cette méthode à une large classe de systèmes physiques ont vu le jour.

Banc de test expérimental

Un banc de test expérimental comprenant l’électrolyseur, des sources renouvelables et des moyens de stockage est envisagé au sein de la fédération de recherche FCLab. Ce banc de test, modulaire et reconfigurable a pour mission de valider les modèles développés, de commander les différents actionneurs (statiques et tournants) et de tester en pratique les différentes stratégies de gestion de l’énergie de cet ensemble multi-sources/multi-convertisseurs.

Le banc de test sera d’une échelle significative afin de permettre une extrapolation aisée des résultats à une échelle réelle.

Thèmes de recherches futures

Les activités de recherche développées dans l’axe cet axe se focalisent sur les points suivants :

1)      La modélisation de l’ensemble des constituants du système de production de l’hydrogène décarboné par des approches analytiques (équivalent électrique, équation d’état, formalisme PCH) ou encore REM.

2)      Modélisation des moyens de stockage de l’énergie produite (stockage électrochimique)

3)      Méthodes et moyens de stockage de l’électricité sous forme hydrogène dans des solides

4)      Commande des actionneurs statiques ou tournants de l’ensemble hybride.

5)      Gestion des flux d’énergie en tenant compte des contraintes liées à la production (éclairement, vent), au fonctionnement (limites minimales et maximales de fonctionnement) et de stockage (en relation avec  l’axe 4).

Powered by WordPress